本設計是在東南大學國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術研究中心自主研發(fā)的，并在遵循uITRON 3.0標準的RTOS-ASIX OS基礎上設計出一套適合于手持設備、儀器儀表等應用的圖形用戶界面――ASIX Window。該圖形用戶界面采用面向對象的設計思想，基于消息循環(huán)和事件驅動機制，構建了比較完整的窗口系統(tǒng)，為用戶提供了類Win32 API的用戶編程接口?？紤]到一般嵌入式應用的屏幕較小，以及嵌入式系統(tǒng)處理器與存儲器容量的限制，ASIX Window在設計上放棄了窗口剪切等復雜特性，大大降低了系統(tǒng)的復雜性，減少了對系統(tǒng)資源的占用。由于采用基于控件的設計概念，ASIX Window非常適合裁減，可以根據用戶的需求方便地增加或刪減控件，增加了系統(tǒng)的可裁減性。該圖形用戶界面已成功應用于PDA，電子詞典，稅控收款機等多款產品設計中。

1 與操作系統(tǒng)內核的接口

　　ASIX Window的整體架構是基于消息分發(fā)，消息循環(huán)以及消息處理之上的。整個ASIX OS平臺的結構如圖1所示。圖1中，最底層的是系統(tǒng)的消息源，包括中斷（鍵盤、觸摸屏等）和定時器，一般將它們統(tǒng)稱為中斷源。中斷發(fā)生后，進入中斷處理程序，該中斷處理程序維護其對應的緩沖區(qū)后（如果它需要緩沖區(qū)），設置事件發(fā)生（通過調用內核的事件標志系統(tǒng)調用）。因為系統(tǒng)任務是阻塞在這個事件標志上的，而且系統(tǒng)任務的優(yōu)先級最高，系統(tǒng)任務將被內核調度運行，系統(tǒng)任務根據所發(fā)生事件的類型，來進行相應的處理。比如說，如果是筆中斷事件，中斷處理程序將筆的坐標信息存放在相應的緩沖區(qū)中，并設置相應的事件標志，系統(tǒng)任務將筆坐標的數(shù)據轉換為相應活動區(qū)域（Active Area）的消息，并由系統(tǒng)任務將這個消息發(fā)送到當前需要該中斷事件的任務中。LCD顯示，鍵盤和筆中斷一定是由前臺任務（擁有屏幕的任務）接管的，其他外圍設備所對應的中斷源則由占用該資源的任務接管。

　　每個任務都有一個自己的信箱（Mail Box），在每個信箱上都維護著一條消息隊列，所有發(fā)往該任務的消息都連接在這個隊列中。任務代碼應該通過消息循環(huán)不斷地從該隊列中取消息并處理，如果消息隊列為空，則該任務阻塞，由ASIX OS內核選擇下一個就緒的高優(yōu)先級任務運行。

　　系統(tǒng)任務是內核的擴展，提供系統(tǒng)基本的服務功能和接口。它接管系統(tǒng)所有的中斷資源并將相應的中斷事件翻譯成為相應的系統(tǒng)消息，并將該消息分發(fā)到對應的應用程序任務；系統(tǒng)任務同時維護系統(tǒng)中所有任務的信息，負責確定前臺任務（擁有顯示屏幕和用戶輸入焦點的任務，前臺任務不一定是CPU正在運行的任務）以及前臺任務的切換。系統(tǒng)任務阻塞在底層中斷的事件標志上，系統(tǒng)任務擁有最高的優(yōu)先級。

　　在系統(tǒng)任務之上是服務任務。服務任務負責提供系統(tǒng)的其他擴展服務。服務任務沒有屏幕顯示（類似于Linux中的守護進程），服務任務阻塞在自己的消息隊列上。服務任務擁有第二高的優(yōu)先級。

圖1 ASIX OS的總體架構

　　應用程序任務是用戶使用的各個應用。應用任務阻塞在自己的消息隊列上，所有的應用程序一般都應該擁有屏幕顯示，所有的應用程序在同一優(yōu)先級上。

2 窗口管理

　　ASIX Windows是基于消息驅動的圖形用戶接口。從ASIX Windows的角度來看，應用程序是由一組窗口和控件組成的，程序的功能是通過窗口的操作來實現(xiàn)的?？丶窃?ASIX Windows中定制的具有特定功能的獨立模塊，例如：按鈕、菜單、下拉框、軟鍵盤等。在 ASIX Windows中,每一個控件在數(shù)據結構上都被描述為一個窗口（也就是說，在數(shù)據結構上，窗口和控件是一樣的）,不同的是，控件是作為某個窗口的子窗口。在數(shù)據結構上將窗口與控件統(tǒng)一，使得整個系統(tǒng)的結構更簡單，對窗口的操作與對控件的操作可以統(tǒng)一到一起，這使得系統(tǒng)的編程接口可以統(tǒng)一到窗口的操作函數(shù)上。在 ASIX Windows中所有的窗口操作，不管是窗口或是控件，都使用這些統(tǒng)一的函數(shù)。系統(tǒng)通過下面這個統(tǒng)一的數(shù)據結構來對所有的控件進行管理。

typedef struct asix_window
{struct asix_window *prev; //指向前一個兄弟窗口
　　struct asix_window *next; //指向后一個兄弟窗口
　　struct asix_window *child; //指向子窗口鏈表
　　/*本窗口的相關ID */
　　WNDCLASS *wndclass;//指向本窗口的窗口類
　　U32 task_id; //本窗口所屬任務的任務號
U32 wnd_id;//本窗口ID號
　　U32 parent_id; //本窗口的父窗口ID號
　　/*本窗口的位置、狀態(tài)、風格以及窗口標題等*/
　　U32 status;//本窗口狀態(tài)
　　U16 x; //本窗口左上角X坐標
　　U16 y; //本窗口左上角Y坐標
　　U16 width; //本窗口的寬度
　　U16 hight; //本窗口的高度
　　char*caption; //本窗口標題
　　U32 style; //本窗口風格
　　/*指向本窗口私有數(shù)據結構的指針 */
　　void*ctrl_str; //指向本窗口的私有數(shù)據結構
} ASIX_WINDOW;

　　實際上，不同的控件擁有不同的功能和結構，所以它們的操作是不同的。為了擁有統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，為每一個不同的窗口或控件定義了相應的窗口類，窗口類實際上是每種控件的模版，這個模版定義了與該控件相關的內容。當應用程序員調用CreatWindow函數(shù)創(chuàng)建某類控件時， CreatWindow查找該類控件的窗口類，并根據窗口類中的定義，調用與該控件相關的創(chuàng)建函數(shù)，進行實際的創(chuàng)建工作。然后CreatWindow填寫相應的數(shù)據結構，描述該控件類的實例，并將其鏈接到系統(tǒng)窗口鏈表中去，以便后續(xù)的管理。利用窗口類描述不同控件設計的同時，可以將不同控件的開發(fā)獨立于系統(tǒng)構架的實現(xiàn)，使得控件的開發(fā)可以獨立進行。使用獨立窗口類來描述每個控件的另一個好處是可以非常方便的對ASIX Window進行裁減。下面給出窗口類數(shù)據結構的定義。

typedef struct window_class
{ U8wndclass_id; //窗口類的ID號
// CreateWindow() 調用本函數(shù)執(zhí)行控件的具體創(chuàng)建
STATUS (*create)(char *caption, U32 style, U16 x, U16 y, U16 width, U16 hight, U32 wndid, U32 menu, void **ctrl_str, void *exdata);
// DestroyWindow() 調用本函數(shù)執(zhí)行控件的具體刪除
STATUS (*destroy)(void *ctrl_str);
// DefWindowProc() 調用本函數(shù)進行消息處理
STATUS (*msg_proc)( U32 win_id, U16 asix_msg, U32 lparam,void *data, U16 wparam, void *reserved);
//GetMessage() 調用本函數(shù)進行底層消息的翻譯與轉換
STATUS (*msg_trans)(void *ctrl_str, U16 msg_type, U32 areaId,P_U16 data, U32 size, PMSG trans_msg);
//RePaintWindow() 調用本函數(shù)重繪本窗口類控件
STATUS (*repaint)(void *ctrl_str, U32 lparam);
//SetWindowText() 調用本函數(shù)設置本窗口類控件的標題
STATUS (*caption)(void *ctrl_str, char *caption, void *exdata);
} WNDCLASS;

圖2 任務鏈表與窗口鏈表

　　圖2所示是系統(tǒng)中窗口鏈表的結構，系統(tǒng)還維護了一張任務鏈表，每個任務控制塊（TCB）中都保留了指向本任務窗口鏈表的首指針。

3 消息傳遞與處理

　　每個窗口（Form）都擁有自己的消息處理函數(shù)，該函數(shù)接收來自系統(tǒng)（包括窗口和控件）的消息并作相應的處理和動作。每一個窗口處理函數(shù)實際上就是一個消息循環(huán)，窗口函數(shù)通過取消息函數(shù)ASIXGetMessage()獲得系統(tǒng)任務，并發(fā)送給該窗口的消息進行處理。ASIXGetMessage ()獲得系統(tǒng)消息并進行相應的處理和消息轉換(實際上是將底層操作系統(tǒng)所提供的硬件消息轉換成ASIX Window的消息，該函數(shù)通過調用相應窗口類所定義的消息翻譯函數(shù)msg_trans()實現(xiàn)消息的轉換)，然后窗口函數(shù)對消息進行分檢并作相應的處理，這部分代碼是用戶自己定制的，實際上是用戶程序處理來自窗口和控件的消息，用來實現(xiàn)該應用程序的功能。窗口函數(shù)調用ASIX Windows的控件消息處理函數(shù)DefWindowProc()，該函數(shù)是一個消息過濾器及轉換器，它接管非用戶的，屬于控件自己的消息（這個消息可能來自用戶的操作）。它首先掃描由取消息函數(shù)獲得的消息，檢查其中是否有屬于 ASIX Windows控件的消息。如果該消息屬于某個控件，則消息處理函數(shù)調用系統(tǒng)窗口鏈表中該控件所對應的窗口類所指明的消息處理函數(shù)，處理這個消息執(zhí)行相應的動作并可能發(fā)出相應的消息（例如，當用戶點擊某按鈕時，控件消息處理函數(shù)將接管該點擊事件，并執(zhí)行按鈕被點擊的動畫，同時發(fā)送一條該按鈕被點擊的消息）。

4 圖形接口

　　ASIX Window的圖形接口設計引入了硬件抽象層的概念，圖形函數(shù)（Graphic API）不直接操縱硬件，而是通過調用硬件抽象層提供的一組基本函數(shù)來作具體的圖形繪制工作。硬件抽象層函數(shù)將按照設備相關的格式將要顯示的內容首先填寫到系統(tǒng)內存的一片緩沖區(qū)（VRAM）中， 然后硬件抽象層的函數(shù)將根據傳入的參數(shù)決定是否將數(shù)據復制到LCD控制器。如果所調用函數(shù)的應用任務當前擁有LCD（前臺任務），則將數(shù)據送往LCD控制器，否則該函數(shù)僅僅將數(shù)據寫入VRAM緩沖區(qū)（該任務是后臺任務）。硬件抽象層還提供了一個叫做Refresh的函數(shù)，該函數(shù)將把當前VRAM中的內容復制到 LCD控制器的數(shù)據寄存器中。系統(tǒng)任務在應用任務切換的時候調用Refresh 函數(shù)，將切換進來的任務中所屬VRAM的數(shù)據刷新到LCD中去，實現(xiàn)屏幕的切換，如圖3所示。

圖3 ASIX Window的圖形上下文

　　為了避免圖形函數(shù)重入時帶來的問題，以及不同應用任務擁有不同屏幕以及相應屬性的問題，在新的設計中采用了圖形上下文（Graphic Context，簡稱GC）的結構。每個需要用到屏幕的應用任務都擁有自己的圖形上下文，該結構中保存與硬件無關的顯示屬性，比如當前色、背景色、當前線寬、當前填充模式、光標的位置、閃爍頻率、光標大小、顯示緩沖區(qū)(VRAM)的頭指針、物理屏幕在邏輯屏幕中的位置坐標等信息。

　　實際上，這樣的設計一方面可以實現(xiàn)邏輯屏幕的概念，即應用程序可以在比實際物理屏幕大的屏幕上繪制圖形；另一方面，不管應用任務在前臺（擁有 LCD）還是在后臺(不擁有LCD)，都可以進行圖形函數(shù)的調用。如果是前臺任務，繪制的圖形會立刻顯示在LCD上；如果是后臺任務，圖形被暫時“繪制” 到該任務的VRAM中，等下次該后臺任務切換到前臺時，系統(tǒng)任務（System Task）將調用Refresh 函數(shù)將該任務的VRAM刷新到LCD上。

結語

　　根據以上內容,設計完成了ASIX Window GUI 的原型系統(tǒng),并在PDA應用中采用了該GUI。為了方便應用程序員的開發(fā)，還在此基礎上設計了基于MS VC++的GUI模擬器。圖4所示是ASIX Window在PDA系統(tǒng)和模擬器上的應用。ASIX Window編譯后的核心非常小巧,長度只有200 KB左右。在可移植性方面，該GUI已成功地移植到了68000、X86、ARM等處理器平臺上。

圖4 ASIX Window在PDA上的應用以及模擬器截圖